硬度计信号处理及显示电路设计

2008届测控技术与仪器专业毕业设计（论文）毕业设计（论文）题目硬度计信号处理及显示电路系统软硬件设计专业测控技术与仪器班级仪041班学号3040241008学生刘小强指导教师于殿泓副教授二七 年硬度计信号处理及显示电路系统软硬件设计摘要硬度计是检测材料和零件硬度比较精密的工具，用来测量材料或者成品半成品的相对硬度，其性能指标主要体现在检测精度和可操控性两个方面。本文通过对现有的洛氏硬度计的工作原理的分析，结合当前的科技水平，论述了以ATMEL公司的AT89S51单片机为核心处理器【1】，通过光栅位移传感器对位移信号进行采集【2】，然后送到细分辨向电路进行20细分，再送入单片机的计数器，经处理后通过六位8段LED数码管显示出来。在单片机系统中，使用C语言实现计数和显示等部分的功能。关键词：洛氏硬度计；光栅位移传感器，AT89S51单片机；LED数码管 Hardness of signal processing and display system hardware and software circuit designAbstractThe Rockwell hardness tester is a precision measurement instrument in material and part hardness testing，which is often used in detection of materials, product and half-finished product. Its performance is decided by measurement precision and manipulation capability. Based on the existing Rockwell hardness of the principle of combining the current level of science and technology, discussed the company to ATMEL AT89S51 microcontroller as the core processor 1, through the grating displacement sensor signals to the displacement of collecting 2, and then sent to the fine resolution to the 20 sub-circuits, and then sent to the Counter SCM, treated through the six paragraph 8 of the LED digital display. In the SCM system, the use of C language, such as counting and display some of the functions.Key words: Rockwell hardness; Grating displacement sensors; AT89S51 SCM; LED digital tube 1. 绪论1.1洛氏硬度计的发展与现状 洛氏硬度计的检测方法最初是由美国人洛克威尔（S.P.Rockwell和H.M. Rockwell）在1914年提出的。以后他们在1919年和1921年两次对硬度计的设计进行了改进，奠定了现代洛氏硬度计的雏形。1930年，威尔逊（C.H.Wilson）进行了更新设计，使洛氏硬度检测和设备更趋完善，一直沿用到现在【3】。硬度计是一种经典式的材料试验仪器，传统的结构大多数都是采用砝码和杠杆放大机构加荷，有的还用砝码油压，加荷等等，一直延续了一个世纪。本世纪60年代以来，蓬勃迅速发展的微电子技术，光栅技术，激光技术与自动调节技术等大大促进了硬度计在结构上的改革与更新，目前已经出现了伺服电机驱动的加，卸荷机构和光栅，磁栅测深显示机构以及差动调节系统，因而使得当代硬度计测量精度，测量速度和使用的简便性都有显著的提高。特别是微电脑系统也被应用之后，硬度计的自动化程度和连续检测的稳定性以及即时显示与提供检测结果等功能都达到了一个前所未有的水平。国外生产硬度计的厂家很多较为知名的有：美国的威尔逊（Wilson）公司，意大利的加利略（Officine Galileo）公司,德国的莱比锡（Leipzig）公司与沃尔佩特（Worpert）公司，英国的维克斯（Vickers）公司，瑞士的葛耐姆（Albert Gnehm）公司以及日本的松泽公司和明石公司等，此外，捷克，匈牙利，独联体也有许多生产厂家。其中众多的产品都数字化和微电脑化了，除了试验检测外，更多的产品被用于零件生产和工艺处理后的质量监督与控制的生产线上。目前广泛使用的数显洛氏硬度计，如莱州华银试验仪器公司生产的HRS-150型等等，已采用了高精度的光栅位移传感器测量压痕深度，以微电子技术进行程序控制，实现了检测力施加自动化，硬度指示数字化，检测过程自动化，具有数据采集，计算，显示，打印及各种硬度值间换算等功能【4】。另外，如HRD-150型电动洛氏硬度计，这种机型采用了自动对零专用表测量压痕深度，仅以上升工作台操作即可完成施加预检测力和表针自动对零的过程，消除了人工对零的误差。该机主轴系统为无摩擦式结构，主检测力的施加，保持，卸除均电器控制达到自动完成一个检测过程。这些基本上是洛氏硬度计的发展现状，随着科学技术的发展，缺陷也在不断体现出来，所以还有相当大的改进空间。随着国民经济建设的迅速发展，工业产品的品质与品种及新材料，新工艺的采用，使得硬度计也必将有更大的进步。1.2课题提出的意义及研究内容从洛氏硬度计目前的发展状况来看，有很多企事业单位还在使用机械式测量，读数的的硬度计，不仅测量效率低，而且误差比较大，特别是人为因素造成的误差（因为在测量读数方面对操作人员的要求高）明显偏大。对这种类型的洛氏硬度计进行数字化改进是势在必行的。本文主要的研究内容有：1. 总体方案的研究与设计2. 系统硬件电路的设计3. 系统软件方面的设计4. 整个软硬件系统的调试本文主要围绕以上所列内容进行研究，其间，还会对在整个设计中所必须要用到的仪器或软件进行必要的说明。2 系统总体设计方案的研究与设计2.1 洛氏硬度计的结构与检测方法 洛氏硬度计是检测材料和零件硬度较精密的计量仪器，它的示值准确与否是非常重要的。对硬度计的管理，使用与维护，出使用部门和检测人员应认真对待外，还应定期委托国家计量部门检定，以保证示值准确和检测质量。2.1.1 洛氏硬度计的结构洛氏硬度计属于压入法硬度计，即也是静力法硬度计。静力法硬度计一般是由机架，加荷机构，压头及测量装置及部分组成。a. 机架 它是硬度计所有部件的支撑体，应具有很好的刚性和稳定性。按形状可分为门式和悬臂式两种。洛氏硬度计采用的是悬臂式，检测力一般都是通过杠杆放大之后加在主轴上的。b. 加荷机构 加荷机构包括产生检测力的装置，加卸荷装置，控制施加检测力速度装置等。洛氏硬度计是利用杠杆机构产生检测力的。他的优点是砝码通过杠杆放大形成检测力，体积小，质量轻。一般洛氏硬度计因其检测力仅为1470N(150kgf)，多采用单杠杆的加荷方法（如常用的HR-150A,HR-150DT,）,如图2-1所示。图2-1 单杠杆加荷示意图压头支点砝码加力点试件支点套型刀 c. 测量装置压痕的深度和平面几何尺寸的测量（后者指布氏，维氏及显微硬度压痕）装置，可分为机械式和光学式测量。洛氏硬度检测属于机械式，测量工具是专用百分表。d. 压头压头在硬度试验中是一个至关重要的部件，他的精度和品质是保证示值准确性的重要因素。由于实验方法的不同，压头有不同的材料，不同的几何形状和不同的精度要求。洛氏硬度实验法用的是1.588和3.175的淬火钢球和夹角为120的圆锥体金刚石压头。2.1.2洛氏硬度检测方法a原理洛氏硬度是以顶角为120的金刚石圆锥体或规定直径的淬火钢球作压头，在初始检测力F0的作用下，再加上主检测力F1，在总检测力F作用下，将压头压入试样表面。之后卸除主检测力，在保留初始检测力F0，测量压痕深度残余增量e，100（或130）减去e所得到的值（e值以0.002mm为单位）即为洛氏硬度值。b. 符号及计算公式洛氏硬度检测及计算公式所用符号及其含义见表2-1所示。 表2-1 洛氏硬度符号及其说明符号说明符号说明金刚石圆锥角（120）HARA标尺洛氏硬度=100-eR金刚石圆锥体顶部曲率半径/mmHRCC标尺洛氏硬度=100-eD钢球直径/mmHRDD标尺洛氏硬度=100-eF0 初始试验力/NHRBB标尺洛氏硬度=130-eF1主试验力/NHREE标尺洛氏硬度=130-eF总试验力/NHRFF标尺洛氏硬度=130-eh0施加主试验力在初始试验力下的压痕深度/mmHRGG标尺洛氏硬度=130-eh1在主试验力下的压痕深度增量/mmHRHH标尺洛氏硬度=130-ee增量，用0.002mm为单位HRKK标尺洛氏硬度=130-e根据洛氏硬度（HR）定义，一个洛氏硬度单位在特定条件下定义为0.002mm压痕深度的残余增量。规定洛氏硬度的读数如下：当用金刚石圆锥压头（A.C.D）时为100-e；当用钢球压头（B.E.F.G.H.K标尺）时为130-e，即HR=K-e（式中K为定义常数，用钢球压头为130，用圆锥压头为100）。由HR=K-e公式看出，压痕深度的残余增量越大，则洛氏硬度值越低；e越小，硬度值越高。所谓标尺，是用不同压头和总检测力的组合加以区分。例如用金刚石圆锥压头，总检测力为1471N（150kgf）时，是HRC;如用1.587mm钢球做压头，总检测力为980.7N(100kgf)是，是B标尺HRB。e是去除主检测力后，在初始检测力F0的残余压痕深度增量。用金刚石压头，1470N总检测力的条件下，在卸除主检测力后，如e为0.08mm，因为每一洛氏硬度单位为0.002mm，则HRC=100-40=60.由此可以看出此值无量纲为一有条件的无名数。K值为什么定义为100和130？当压头为金刚石圆锥体时，因为HRC（A）规定用于测量较硬的材料，如淬火后的钢及硬质合金等，一般不会出现压入深度为0.2mm而使硬度值为零的情况。当压头为钢球时，多用于测量中等及较低硬度的材料，硬度值跨度较大，为了避免出现负值将用钢球的洛氏硬度标尺K值均定为130。c.洛氏硬度标尺及技术参数已被替代的GB230-83金属洛氏硬度实验法标准中只有HRA,HRB,HRC三个标尺。现行的GB/T230-91金属洛氏硬度实验法标准将原来的三个洛氏硬度扩展为9个标尺。见表2-2。d. 标尺的应用规则HRA，适用于测定坚硬或薄硬质材料，如硬质合金，渗碳后淬硬钢，经硬化处理后的薄钢带，薄钢板。因为对于HRC67材料若仍用1471N检测力易于损坏金刚石压头。宜用检测力较小，压入深度浅的HRA标尺。表2-2洛氏硬度标尺及技术参数洛氏硬度标尺硬度符号压头类型初始检测力F0/N主检测力F1/N总检测力F/N洛氏硬度范围AHRA120金刚石圆锥98.07490.3588.43088HRABHRB1.5875mm钢球98.07882.6980.720100BRBCHRC120金刚石圆锥98.07137314712070HRCDHRD120金刚石圆锥98.07882.6980.74077HRDEHRE3.175mm钢球98.07882.6980.770100HREFHRF1.5875钢球98.07490.3588.460100HRFGHRG1.5875钢球98.07137314713094HRGHHRH3.175mm钢球98.07490.3558.480100HRHKHRK3.175mm钢球98.071373147140100HRKHRB，适宜用于测定中等硬度的材料，如退火后的中碳和低碳钢，可锻铸铁，各种黄铜和大多数的青铜以及经固溶处理时效后的各种硬铝合金等。适用范围是HRB20100，当试样硬度小于20HRB时，因为这些金属的蠕变行为，试样在检测力作用下变形将持续很长时间，表上的指针或光学投影刻度将长时间的缓慢移动，难以测量准确。而当HRB100时，因为钢球压入的深度过浅，灵敏度降低，影响测量精度。HRC，是用于测量经淬火及低温回火后的碳素钢、合金钢、模具钢，也是用于测量冷硬铸铁，珠光体可锻铸铁，钛合金等。一般HRB100的材料可用C标尺测定，当HRC20时，由于金刚石压头压入过深，压头圆锥的影响增大，产生下滑现象，影响测量的准确性，宜换用HRB标尺测定。HRE，适于测定一般的铸铁、铝合金、镁合金轴承合金及其类似软金属。HRF，适用于韧化黄铜、紫铜、一般铝合金等。HRG，适用相当于HRB近于100的材料。因为这时可比HRB检测近于100时的灵敏度高。HRH，适用于铝、锌、铅等软金属合金，因为H标尺适用的压头直径大；检测力又小，且可迅速直接读数。HRK，适用于轴承合金和其他软金属材料。以上除洛氏A、B、C三个标尺外，其余洛氏D、F、G等6个标尺都是在修订后的标准中增添的。洛氏硬度检测操作简便、迅速、工作效率高。由于其使用检测力小，所产生的压痕布氏硬度检测的小，因而对制件表面没有明显损伤。由于使用金刚石压头和两种直径的钢球作为压头、有三种检测力，共计9个标尺（见表2-2），使其测量范围很广。再者有预检测力，所以试件表面轻微的不平度对硬度值的影响比布氏维氏要小。因此，适用于成批生产大量检测的机械、冶金热加工过程以及半成品或成品检测。特别适用于刃具、模具、量具、工具等的成品制件检测。2.2系统总体设计方案该系统主要应用光栅位移传感器对位移信号进行采集和初步处理，其输出的两路相位相差90的方波信号，可以很方便的供后续电路进行处理。本系统通过C语言软件编程【5】实现对各种外围设备的控制（包括显示电路，实时时钟电路），由于C语言编写的程序具有很好的可移植性，是开发成本降低，缩短开发周期，是一种可行的方法。2.2.1系统硬件的结构设计先经过五细分辨向电路对两路方波信号进行第一次细分【6】，将处理后的信号送入四倍频专用集成电路中进行再次细分，这样采集到的位移信号精度就可以满足要求了，通过单片机的两个计数器对细分后的方波信号进行加减计数，然后单片机对记录到的信号进行处理后，通过六个数码显示管显示出来。对于新型洛氏硬度计我们按照模块化的设计思想，其硬件部分主要包括中央处理模块、数据采集模块、数据显示模块，复位模块，时钟模块等。其中中央处理模块负责对各个模块进行协调工作，是整个系统的关键所在。系统总体电路原理框图如图光栅位移传感器细分电路信号放大电路微处理单元数据显示键盘输入图2-2 系统硬件结构示意图2.2.2 系统软件结构设计系统软件总体框图如图2-3所示。硬件驱动程序主要完成对系统硬件资源的调用。通过抽象底层硬件的物理行为，能够为软件设计建立一个优良的接口，使上层软件在底层标准的接口的定义下工作，这样的话，将来硬件性能提高了，上层软件不用做过多的修改，只要修改底层驱动就可以了。在软件的系统设计中，我们使用了单片机C语言进行编程，因为C语言在开发速度，软件质量，结构严谨，程序坚固等方面的优越性是汇编语言所不能比的，并且C语言的代码程度已经做到了汇编水平的1.21.5倍、4K字节以上的速度。KeyboardLEDUART硬件驱动操作系统用户任务采集任务显示任务计数任务存储任务图2-3 系统软件结构后示意图2.3本章小结本章对洛氏硬度计的结构和测量原理做了较为详细的介绍。从对数字式光栅位移传感器的数据采集与处理出发，采用单片机C语言编写软件对各个功能模块进行控制，并完成了系统软硬件的总体设计。3.系统硬件电路的研究与设计开发本章重点讲述数显洛氏硬度计的检测系统中单片机和传感器的选择以及硬件电路的具体实现，包括微控制系统，人机交互模块，传感器输入模块等。3.1 AT89S51单片机的系统概述美国ATMEL公司是国际上著名的半导体公司，从20世纪80年代中期到现在，在短短几十年时间里ATMEL公司已发展成为拥有先进的生产和设计技术，产品种类齐全，型号繁多的大公司，在某些技术领域已处于国际领先地位。AT89系列单片机是ATMEL公司最早退出的，也是功能最简单的一个单片机系列，该系列的单片机都是基于89C51（或80C32）内核的，内含Flash程序存储器的MCS-51系列兼容机，它和8051单片机是兼容的。AT89S51单片机是目前比较流行的，由于它比AT89C51系列单片机在片内增加了ISP功能。在实际使用AT89S51的过程中，其外围电路是必不可少的【8】，在本课题中，由于AT89S51内置了看门狗电路，只需要设计复位电路和时钟电路就可以了。3.1.1 AT89S51单片机的主要特性AT89S51的片内含有容量为4KB 的Flash存储器，在系统开发过程中可以十分容易地进行程序修改，这大大缩短了系统的开发周期。同时在系统工作过程中，能有效地保存一些数据信息，即使外电源损坏也不影响信息的保存。RAM是128字节；有两个定时/计数器；与8051引脚兼容，不管采用40引脚还是44引脚的产品，只要用相同引脚的89系列单片机取代即可；采用静态时钟方式，所以节省电能，对于降低便携式产品的功耗十分有用。AT89S51和AT89C51比起来，最大的特点是支持ISP功能，AT89S51在工艺上进行了改进，采用0.35um新工艺，性能有了较大提升，价格却基本不变，甚至比AT89C51还低，增强了竞争力。AT89SXX可以向下兼容AT89CXX等51系列芯片。AT89S51相对于AT89C51增加的新功能包括：AT89C51只支持并行写入，同时需要VPP烧写高压；AT89S51则支持ISP在线可编程写入技术，串行写入，速度更快，稳定性更好，烧写电压也仅仅需要45V，而AT89C5X系列在电压低于4.8V和高于5.3V的时候则无法正常工作。AT89S5X系列支持最高可达33MHZ的工作频率，而AT89C51工作频率最高只支持到24MHZ。具有双工URT串行通道。内部集成看门狗计时器，不再需要像AT89C51那样外接看门狗计时单元电路。双数据指示器。电源关闭标识。全新的加密算法，程序的保密性大大加强，可以有效的保护知识产权不被侵犯。3.1.2 AT89S51单片机的各管脚功能说明本课题使用的AT89S51单片机是采用DIP（双列直插式）封装的40管脚的（如图1-1）。AT89S51由于采用了新工艺新技术使外围电路大大简化，其部件结构（如图1-1）。芯片共有40个引脚，引脚的排列顺序为从靠芯片的缺口（见图a）左边那列引脚逆时针数起，依次为1、2、3、4。40，其中芯片的1脚顶上有个凹点（见图1-1）。在单片机的40个引脚中，电源引脚2根，外接晶体振荡器引脚2根，控制引脚4根以及4组8位可编程I/O引脚32根。以下是管脚说明：1.主电源引脚（2根）VCC：正电源，通常是+5V,但是应用中很难精确到5V，有一个电压范围，AT89S51的动态范围是+4V+6V，属于比较大的动态范围。GND：接地线。2外接晶振引脚（2根）XTAL1(Pin19)：片内振荡电路的输入端。XTAL2(Pin20)：片内振荡电路的输出端。3、控制引脚（4根）RST/VPP(Pin9)：复位引脚，引脚上出现2个机器周期的高电平将使单片机复位。ALE/PROG(Pin30)：地址锁存允许信号PSEN(Pin29)：外部存储器读选通信号EA/VPP(Pin31)：程序存储器的内外部选通，接低电平从外部程序存储器度指令，如果接高电平则从内部程序存储器度指令。4、可编程输入/输出引脚（32根）AT89S51单片机有4组8位的可编程I/O口，分别位P0、P1、P2、P3口，每个口有8位（8根引脚），共32根，每一根引脚都可以编程。 P0口（Pin39Pin32）：8位双向I/O口线，名称为P0.0P0.7，P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每个管脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻值输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程时，P0 口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。P1口（Pin1Pin8）：8位准双向I/O口线，名称为P1.0P1.7，P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。P2口（Pin21Pin28）：8位准双向I/O口线，名称为P2.0P2.7 ，P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。 P3口（Pin10Pin17）：8位准双向I/O口线，名称为P3.0P3.7，P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如表1-1所示：口管脚备选功能P3.0 RXD串行输入口P3.1 TXD串行输出口P3.2 /INT0外部中断0P3.3 /INT1外部中断1P3.4 T0记时器0外部输入P3.5 T1记时器1外部输入P3.6 /WR外部数据存储器写选通P3.7 /RD外部数据存储器读选通表1-1 图1-13.1.3 复位电路图3-11 复位电路本课题采用按键电平复位电路（如图3-11），相当于按复位键后复位端通过电阻与Vcc电源接通。复位是单片机的初始化操作。单片机在启动运行时，都需要先复位，其作用是使CPU和系统中其他部件都处于一个确定的初始状态，并从这个状态开始工作。但单片机本身是不能自动进行复位的，必须配合相应的外部电路来实现。3.1.4系统时钟电路图3-12AT89S51的XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。该反向放大器可以配置为片内振荡器。石晶振荡和陶瓷震荡均可采用。本设计采用外部接晶体振荡器的方法驱动。晶体振荡器与AT89S51的接法如图3-12所示，XTAL1和XTAL2脚接到12MHZ的晶体振荡器上，与两个30pf的电容并联，并接低电平。3.2光栅位移传感器的介绍光栅位移传感器自世纪60年代问世以来，经过近半个世纪的发展，如今已经广泛的应用在社会生产中，主要用于机床、量仪的坐标位置测量，位移传感器及其后续电路也作为数控系统的位置反馈，是数控机床和仪器仪表的重要功能部件。随着科技的发展，其测量分辨力也从5um提升到1nm，机械加工精度也从1um提高到0.01um。3.2.1光栅位移传感器的工作原理光栅位移传感器由光路系统、标尺光栅、指示光栅组成，通常指示光栅比标尺光栅短得多，但两者可有同样的密度纹线。测位移时，指示光栅固定不动，标尺光栅移动。本课题选用的位移传感器为SM12透射式光栅传感器，其结构如图3-1所示。运动方向光源光电元件图3-1 透射式光栅位移传感器指示光栅透镜光栅光源发射的光经过透镜聚光后，形成一束平行光束射向标尺光栅，标尺光栅透射光后照到指示光栅上，形成明暗相间的莫尔条纹（如图3-2），当标尺光栅相对指示光栅移动时，光电元件接收到明暗交替变化的光信号后，转换成电脉冲信号，脉冲信号的数量对应移动的距离，脉冲频率则反映了运动速度。图3-2SM12位移传感器是上海江经翔电子有限公司生产的精密小型光栅测量系统，适用于小量程的精密测量，尤其适用于机器人技术，医疗设备，精密现代化加工设备（如图3-3所示为SM12外形）。3.2.2光栅位移传感器的技术特性和数据输出SM12的技术特性见表3-1所示，连接线缆和接头定义如表3-2所示。测量长度12.50.5mm分辨率0.1，0.2，0.5，1，2，5，10um准确度1um/12mm最大测量速度0.5M/S弹簧耐压0.40.8N工作电压5V5%电流（LD线性差动输出）max130mA电流（TTL输出）Max20mA防护等级IP40工作温度050绝缘阻抗Min20MW输出信号（LD线性差动输出）RS 422, 20 mA输出信号（TTL输出）L=max. 0.5V at 2.5mA 表3-1 SM12技术特性线性差动输出TTL输出信号8芯电缆9针CAN信号9针CAN电源+5v红色1电源+5v1电源0v蓝色2电源0v2输出1白色3输出13输出2黄色4输出24输出3灰色5输出35输出3反相粉色6丝网（屏蔽）9输出1反相棕色7输出2反相绿色8 表3-2 连接线缆和接头定义 SM12的输出信号为矩形方波，A，B两路相差90的两路方波，能够指示出移动距离和方向。Z相波形为零位脉冲信号，一般用于测量长度的中间位置。输出信号可根据需要是线性差动或者TTL方波（如图3-4）。图3-4SM12输出信号图3-3光栅位移传感器3.3信号的细分和辨向处理 由于光栅本身的固有分辨频率是有限的，在实际测量中远不能满足要求，因此我们采用电子细分的方法使其用同样栅距的光栅元件达到较高的分辨率。传感器输出的信号为两路相位相差90的方波信号，其脉冲宽度还需要进行进一步的细分，首先送入五细分辨向电路进行第一步细分，细分后的信号再送入QA740210四倍频专用集成电路中进行再次细分，这样经过20细分的脉冲信号再送入单片机计数器中。3.3.1 有关信号细分和辨向的概念细分的基本原理是根据周期性测量信号的波形，振幅或者相位的变化规律，在一个周期内进行插值，从而获得优于一个周期的更高的分辨力。图3-5光栅辨向原理由于位移除了有大小的属性外，还有方向的属性，为了辨别测量位移的方向，其原理如图3-5所示，在图所示的光栅辨向原理中，两个相隔14莫尔条纹间距的光电元件【7】，将各自得到相差2的电信号u1和u2。它们经整形转换成两个方波信号u1和u2。从图中波形的对应关系可看出，当光栅沿A方向移动时，u1经微分电路后产生的脉冲(图中充填的脉冲)正好发生在u2处于“l”电平时，从而经Yl输出一个计数脉冲；而u1经反相并微分后产生的脉冲(图中未充填的脉冲)则与u2的“0”电平相遇，与门Y2被阻塞，没有脉冲输出。当光栅沿C方向移动时，u1的微分脉冲发生在u2为“0”电平时，与门Y1无脉冲输出；而u1的反相微分脉冲则发生在u2的“1”电平时，与门Y2输出一个计数脉冲。u2的电平状态实际上是与门的控制信号，移动方向不同，u1所产生的计数脉冲的输出路线也不同。于是可以根据运动方向正确地给出加计数脉冲或减计数脉冲，再将其输入可逆计数器，即可实时显示出相对于某个参考点的位移量。3.3.2 集成电路QA740210的概述在本课题中，对于四细分集成电路我们使用QA740210，这是一款四倍频专用集成电路，可将两路正交的方波信号进行四倍频后产生两路加、减计数信号，可送双时钟可逆计数器进行加、减计数，也可直接送单片机（TA89S51）进行数据处理。其主要特点如下：1，数字化微分电路：四路微分信号脉宽由主频周期决定，因此，是一致的，而且可在很大范围里方便地选择。2，临界报警与过速报警两档速度提示：可在光栅运动速度近极限值时给出临界报警信息，以便操作者及时控制光栅运动快慢。在速度超过极限值时本电路将给出出错信息。 3，绝对零位控制：绝对零位的设置将给操作者带来许多方便，如故障断电后的重新定位等。本电路有“到绝对零位开始计数”和“到绝对零位停止计数”，以及“与绝对零位无关”三种工作模式。4，片选：本电路设有片选端，可以构成多标数显系统。5，CMOS工艺：输入输出的电压电流与4000系列CMOS及LSTTL电路兼容。A,其管脚排列如图3-6所示，逻辑图如图3-7具体功能如下：图3-6 管脚排列图3-7 逻辑图图3-7 逻辑图管脚1：振荡器0。（X0） 它既可以与X1、X2构成振荡器，也可以作为外部时钟的输入端。管脚2：正交信号1。（0o） 接收光栅尺传送过来的信号，也可以接收QA740210（5细分电路）产生的信号。这个信号应为方波。本电路将对0o与管脚3接收的90o 正交方波进行四倍频，并根据0o与90o之间的相位关系进行相位判别。管脚3：正交信号2。（90o） 本管脚接收一个与管脚2在相位上相差90o的方波 信号（参见管脚2的说明）。管脚4：减计数脉冲输出。（-CPo） 此管脚常态为高电平，当有输出时，为一个与振荡器中X高电平等宽的负脉冲，此管脚应接双时钟可逆计数器的减计数时钟端。管脚5：加计数脉冲输出。（+CPo） （参见脚4说明）此管脚应接双时钟可逆计数器的加计数时钟端。管脚6：负号输出端（MSo） 可指示光栅尺与设定零位的相对位置，在片选时可由Msi予置，此时MSo与Msi同电平。0o如超前90o则当全“0”信号输入后，此端为低，90o如超前0o则当全“0”信号输入后，此端为高，此端可直接驱动LED。管脚7：全“0”信号输入端。（AZi） 此管脚接收可逆计数器传送过来的一个正脉冲信号，（宽度1个主频周期），它的输入使本来CPo有输出，变成CPo有输出。管脚8：负号输入端。（MSi） 可逆计数器所显示数不为“0”的情况下，表3-3所示。此端在片选选中时起作用。 表3-3MSI010o超前90o +CPo出 -CPo出 90o超前0o -CPo出 +CPo出 管脚10：清零输入。（/CE） 清除报错信号，并使ABS功能处于A模式，此端在片选时起作用，低电平有效。管脚11：片选输入（/CS） 使电路可以用于多坐标数显表，低电平选中，/CE、/ABSC及Msi才起作用。管脚12：绝对零位模式选择。（/ABSC） 本脚需要输入一个负脉冲。片选并清零后本脚输入负脉冲的个数决定ABS的三个模式： 输入0个脉冲，A模式，绝对零（ABSZ）输入不起作用； 输入奇数个脉冲，B模式，绝对零（ABSZ）输入后CPo才有输出； 输入偶数个脉冲，C模式，绝对零（ABSZ）输入后CPo停止输出。管脚13：绝对零输入。（ABSZ） 本脚需要输入一个正脉冲。由光栅尺或QA740204电路给出，如果一个光栅尺有若干个绝对零位输出，则只有第一个起作用（参见管脚12）。管脚14：绝对零位标志。（FABS） A模式时，FABS=1 B模式时，FABS=0 C模式时，FABS为一串脉冲（与X0同频同相）管脚15：速度报警输出。（WARN） 设本电路主频（X2）为Fx, 当0o（90o）的输入频率Fi1/8Fx时，WARN=“0”; 当1/8FxFi1/6Fx时, WARN有正脉冲出现，宽度与0o输入的方波相同; 当Fi降到1/8Fx以下后，此端自动恢复为“0”，当Fi1/6Fx时，WARN=“1”，此“1”电平只有当片选选中且完成清零（即/CS=0且/CE=0）后才能恢复为“0”电平。管脚16：振荡器 端口X2 与X0、X1构成振荡器。管脚17：振荡器 端口X1与X0、X2构成振荡器。也可用作主频输出。B, QA740210的工作特性1工作电压范围：VDD=5V20% 2直流参数（见表3-4）：（VDD=5V）参数及测试条件符号规范值静态功能IDD10A输出低电平电压（1A）VOL0.05V输出高电平电压(1A)VOH4.95V输入低电平电压VIL1.5V输入高电平电压VIH3.5V输出低电平电流(VIL=0.5V)IOL2mA输出高电平电流(VOH=2.5V)IOH2mA输入低电平电流(VIL=VSS)IIL0.1A输入高电平电流（V2H=VDD）IIH0.1A表3-4.3交流参数：（VDD=+5V） （1）最高工作频率（主频）2.5MHz,允许最高输入频率、300KHz。（0 o、90 o） （2）+CPo、- CPo、FABS与X2的时间关系如图3-8。 （3）WARN与0o的时间关系如图3-9。 图3-8 图3-94.QA740210在本设计中是对两路正交信号进行四倍频，其接法如下图3-10所示。图3-10 （其他输出均悬空）C，QA740210在使用时的注意事项如果QA740204的VDD用10V，则可用CD4010进行电平转换后输入本电路； 利用电容隔直，可分辨出FABS中的B、C模式的差别，也可分辨出WARN报警与临界报警的差别；利用G2-G5组成一个单稳电路，可对瞬态临界报警信号起一个延长的作用，使操作者能觉察到这个信号（可用LED或讯响器提示）。3.4 LED数码管显示电路 对于经过单片机处理过的硬度信号，需要在以直观的方式显示出来，LED八段数码显示管可以满足这一要求，通过六个并联的数码显示管显示出经过处理后的硬度值【9】。3.4.1 LED数码显示管概述发光二极管LED是一种通电后能发光的半导体器件，其导电性质与普通二极管类似。LED数码显示器就是由发光二极管组合而成的1种新型显示器件。在单片机系统中应用非常普遍。LED数码显示器是1种由LED发光二极管组合显示字符的显示器件。它使用了8个LED发光二极管，其中7个用于显示字符，1个用于显示小数点（表3-5是LED数码管的字形表）。显示字符共阴极字符共阳极字符显示字符共阴极字符共阳极字符03FHC0H96FH90H106HF9HA77H88H25BHA4Hb7CH83H34FHB0HC39HC6H466H99Hd5EHA1H56DH92HE79H86H67DH82HF71H8EH707HF8HH76H89H87FH80HP73H8CH表3-53.4.2 LED 数码显示管的接法A，共阳极接法。把发光二极管的阳极连在一起构成公共阳极，使用时公共阳极接+5V，每个发光二极管的阴极通过电阻与输入端相连。当阴极端输入低电平时，段发光二极管就导通点亮，而输入高电平时则不点亮。B，共阴极接法。把发光二极管的阴极连在一起构成公共阴极，使用时公共阴极接地。每个发光二极管的阳极通过电阻与输入端相连。当阳极端输入高电平时，段发光二极管就导通点亮，而输入低电平时则不点亮。在本设计中共阳极LED数码显示管型号为（JM-S03911A），数码管采用三极管进行驱动【10】，三极管为普通NPN型三极管，其引脚排列如图3-13所示：图3-133.5 本章小结本章围绕洛氏硬度计的数字化改进所需要的硬件进行了介绍，说明了各个硬件模块的功能和结构，以及相应的技术参数，电路原理图。硬件的实现主要包括主控制器的选择和分析以及各各个硬件模块的电路设计实现等【11】。总的电路原理图见附录A。4.基于AT89S51单片机系统的软件设计 在进行单片机编程时要考虑所用的软件是否熟悉并适合开发系统，汇编语言、C语言、PL/M语言是单片机常用的开发语言，由于C语言相比其他两种语言具有简洁易懂，便于进行模块化设计，容易移植，越来越广泛的被使用。本设计中我们采用C语言进行单片机编程。4.1 AT89S51单片机常用的编程语言 20世纪90年代开始，经过Franklin，Keil，IAR,BSO/Tasking等公司艰苦不懈的努力，C语言日趋成熟，成为专业化的单片机高级语言。本设计中使用Keil C51软件进行系统的软件开发【12】。4.1.1 单片机C语言的概述Keil C51是美国Keil Software公司出品的51系列兼容单片机C语言软件开发系统。Keil C51软件提供了丰富的库函数和功能强大的集成开发调试工具Vision2【13】，Vision2全是Windows界面。只要看一下编译后生成的汇编代码就能体会到Keil C51生成的目标代码效率之高，多数语句生成的目标代码很紧凑，容易理解。在开发大型软件时更能体现出高级语言的优势。我们使用的版本是V7版，是很优秀的8051C编译器。4.1.2 单片机C语言的特点和结构使用C语言进行嵌入式系统的开发，具有以下的优势：编程调试灵活方便；生产的代码编译效率高；便于进行模块化开发；可移植性好；便于项目的维护管理。图4-1Vision2集成开发环境C51编译器A51汇编器LIB51库RTX51实时操作系统BL51连接Vision2调试器C51库外界仿真51监视器高速CPU外设仿真HEXKeil C51的编译环境Vision2是一个标准的Windows应用程序，它包括C51，A51，BL51，LIB51，OH51，RTX51在内的编译、汇编、定位连接、库、转换和模拟等软件集成在一个环境下，具有源代码编辑、项目管理、程序生成器等功能，他的人机界面友好，操作方便。当使用Keil C51工具时，项目的开发流程和其他软件的相似。1，创建一个项目，从器件库中选择目标器件配置工具设置。2，用C语言或汇编语言创建源程序。3，用项目管理器生成应用程序文件。4，修改源程序中的错误。5，测试连接应用。图4-1是一个完整的8051工具集的框图，此外，Vision2提供以下特性帮助用户加快嵌入式应用的开发过程：用户可以定义密码序列的全功能编辑器；将外程序加入下拉式菜单的应用管理器；创建和保存项目的项目管理器；会变编译和连接应用的集成程序生成器；所有环境的对话框和开发工具设置。4.2 各功能部件的初始化设计任何单片机系统在上电或复位后都会进行初始化，在本课题中，使用C语言进行编程，并且以嵌入式操作系统为开发平台，这可以大大提高开发效率和软件性能。为了能够顺利的进行软件调试，我们需要对单片机进行初始化，以使其能正确的计数和显示。包括初始化CPU各种模式的堆栈和寄存器；初始化系统中要使用的各种外部设备。首先进行单片机外部中断接口(INT0和INT1)的初始化，分别使用子函数进行初始化，程序代码如下所示：Void INT0 init(void)TCON|=(10); /INT0=1;边沿触发IE |=（10）; /EX0=1;IE |=(17); /EA=1;void INT1_init(void)TCON |= (12); /INT1 = 1 ; 边沿触发IE |= (12); /EX1 = 1;IE |= (17);